基于KNX的高层住宅智能家居系统控制

【摘要】本文结合某府邸智能家居系统工程案例，对KNX系统在高层住宅中的控制及应用加以研究，KNX系统是一个基于事件控制的分布式总线系统，系统采用单元地址化结构设计，赋予每个功能部件相应单独的物理地址。每个模块都有微处理器，可独立收发总线数据，完成传感测量、运算、执行、控制等功能。随着应用场景和用户需求的个性化，总线器件之间又可进行功能组合，完成灯光、窗帘、空调、新风、地暖等系统的一体化集成控制，实现输出功能倍增的效果；并可根据自身的实际需要，对KNX系统设备进行自动、智能化管理。无须接触底层设备与学习专业的知识，通过用户端APP控制设置，也可对KNX系统设备进行自动控制。

【关键词】个性化；功能组合；集成控制；APP控制

中图分类号：G212                                 文獻标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.066

随着人们生活水平的提高，拥有一个安全、温馨、舒适、便捷、有益健康的家居办公环境，成为时下人们追求品质生活的主要目标。如何才能赋予家居办公环境安全、高效、便捷、节能、健康等属性成为了研究重点。原有高层住宅内的各子系统的分散管理或部分子系统（设备）的简单集成管理，已无法满足人们对品质生活的追求。在单个设备控制的基础上，实现组网、集成的控制与管理，成为高层住宅建筑内设备管理系统的必然趋势。

1. 家居系统功能需求分析

对家居系统功能需求加以分析，力求将高层住宅中灯光系统、窗帘系统、空调系统、新风系统、地暖系统等子系统有机地结合为一个整体，例如：①与可视对讲对接联动控制；②在开门瞬间自动打开玄关照明，进入客厅自动关闭玄关照明；③白天回家模式时只打开客厅窗帘，晚上回家模式时打开客厅灯光同时关闭客厅窗帘；④在调节温控面板温度时，自动打开客厅的空调或地暖；⑤离家模式时，自动打开新风系统，净化室内空气。

针对上述需求，需依靠一个自动化控制系统，集成高层住宅内每一个独立控制系统，故引入现场总线控制技术，实现一体化的集成管理KNX系统。此系统利用一条双绞线（i-bus总线）代替传统种类繁多的普通电缆，所有控制信号均通过此总线传输接收和发送总线数据，数据中包含温湿度、光照度、CO2、PM2.5、智能面板输入信号等参数，当参数满足程序要求时，驱动器立刻执行相应动作，完成灯光、窗帘、空调、新风、地暖等系统的一体化集成控制。

KNX控制系统每个模块在控制功能上具有独立性。在网络通信正常条件下，某个元器件因故障或损坏停止工作后，不会影响总线上的其他设备运行，从侧面体现出KNX系统有很好的可靠性和稳定性。

2. KNX系统集成

2.1 可视对讲系统集成

目前，可视对讲产品均是厂家专有协议，基本无标准协议。不同厂家互不兼容，和各弱电系统也不能联通，各系统之间的互联成为集成控制的重点难题。通过采用外置协议转换模块（KNX网关），KNX系统即可实现“现场总线＋局域网”的数据交换，从而使可视对讲完成与KNX系统对接控制。

可视对讲发送开灯、窗帘、空调、新风、地暖指令时，通过协议转换模块（KNX网关），KNX系统接收到可视对讲发出的上述指令，同时KNX系统对接收的信号指令进行处理，控制驱动器执行相应动作，达到对各系统的控制。可视对讲对接控制原理见图1。

2.2 灯光控制系统

KNX控制系统驱动器模块均为标准模/数化产品，可直接安装在区域的强电配电箱中，每个照明回路对应KNX输出控制模块的一个具体通道，从而实现相应不同回路的开关或调光控制。位于现场的智能面板及功能传感器则主要采用国标86盒或80底盒墙装方式，整体系统安装施工简单，控制功能灵活且在发生功能变化时更易于调整。其原理如图2所示。

KNX系统中所有输入设备（如：面板、红外移动探测器、照度传感器）和输出设备（如：开关驱动器、窗帘驱动器）均通过i-bus总线相互连接。当总线接收到输入信号时，通过微处理电子技术向输出模块发送执行指令，驱动负载，实现相应功能。这意味着在系统设备硬件不作任何改动的情况下，可通过对元器件的程序编译来实现功能的灵活多变，以完成对区域内外的单一照明回路、或多回路的开关、调光、场景控制，同时也可进行区域的总开关控制。

2.3 窗帘控制系统

传统窗帘必须手动开关，操作较为繁琐，针对该现象，窗帘控制系统逐渐得以应用。KNX系统控制通过驱动器控制窗帘电机的正反转来实现窗帘的开闭（升降），与照度探测联动窗帘开闭（升降）可充分利用自然光，减少能量损耗；与灯光控制联动，可营造不同的氛围场景，彰显生活品质。其控制原理见图3。

例如定时控制可为智能窗帘进行定时，通过时间表对其进行开启和关闭的时间表控制策略，如同给闹钟定时一样，每天早上太阳升起，定时控制遮光帘打开透光、纱帘仍关闭保护隐私；固定上床休息时间遮光帘则会缓缓拉上，带来静谧安宁的休息空间。有时需要把窗帘同时打开或关闭，则可通过一键联动功能来实现。

2.4 空调系统集成

和市面上繁多的开关样式相比，空调线控器的颜色极少，导致空调线控器的颜色与装饰风格难以协调统一。通过KNX系统集成，多种温控面板款式选择易于满足业主个性化装修风格的需求。在追求智能系统的同时，亦可兼顾家中智能面板风格、色彩统一协调。除原有空调电源线外，一般只需多布置一根RVVP通讯线。采用RS-485布线方式，Modbus通信协议，KNX系统可以轻松读取空调系统的各种状态数据，比如空调运行模式、室外机温度、室内温度、室内机运行风速等。屏蔽双绞线可靠接地有助于减少和消除两根RS485通信线之间产生的分布电容以及来自于通讯线周围产生的共模干扰。空调控制对接控制原理见图4。

2.5 新风系统集成

新风系统集成方式与空调系统集成原理一致，通过RS-485布线方式，Modbus通信协议与KNX控制系统对接。人的身体无法精确判断室内CO2浓度、空气湿度、PM2.5值，此时使用KNX系统则可不断监测空气质量来智能地保持健康的室内环境，为提前设置新风系统的开关、温度、湿度等参数提供可靠依据，并且实现自动化控制。当室内温度或湿度在一定范围内时，KNX系统智能模块将会自动调节新风系统的风速和风量，实现室内环境的舒适化。

2.6 地暖系统集成

KNX控制系统可分析室外温度变化，进行温度调整预判，同时也会根据室内实际温度，及时调整室内舒适度。不仅如此，KNX控制系统还可根据主人居住习惯、喜好或有无人员等情况，自动调节温度，从而达到节能环保的效果。

3. 系统难点问题与技术措施

3.1 时间表控制

（1）窗帘系统时间表控制：房间内电动窗帘可通过APP设置定时控制（例：布帘定时在早晨7点自动打开，纱帘保持闭合）。

（2）新风系统时间表控制：离家模式时，自动打开新风系统净化室内空气，KNX系统可通过APP设置时间表功能，每天定时段打开或关闭新风系统，晚上自动设定新风系统为最低速运行，保证安静的室内环境。

（3）通过调用网关时钟，场景触发时引入网关时钟控制，做到白天回家模式时只打开客厅窗帘，晚上回家模式时打开客厅灯光同时关闭客厅窗帘。

3.2 联动控制

3.2.1 可视对讲安防联动控制

可视对讲系统由于具有安全保护作用，往往采用专有通讯协议，且不对外开放通讯协议。增加外置协议转换模块（KNX网关），KNX系统可实现“现场总线＋局域网”的数据交换方式，把可视对接的专有协议转换成为集成系统统一的KNX协议，做到无缝对接控制。在家庭安防方面此联动控制功能表现尤为突出。当可视对讲设置布防状态后，如果KNX控制系统的红外移动探测器检测到家中有人非法入侵时，KNX系统可通过执行器打开蜂鸣器发出警报音，同时可视对讲系统也会第一时间把报警信号传给物业中心。

3.2.2 空调地暖联动控制

调节温控面板温度时，KNX系统网关可自动对采集的房间温度与设置温度进行比较，若设置温度比房间温度高3度以上启动地暖开关，反之若温度低3度以上则启动空调开关，并可把温控面板关闭时温度统一设置为基准23度，基准温度设置可有效避免程序误判。同时，空调开关与地暖开关命令进行互锁控制，在一键联动控制场景时不会出现空调和地暖同时打开的情况，避免能耗浪费。

3.2.3 空气质量联动控制

为了联动新风系统，引入空气质量传感器，检测室内CO2浓度。CO2浓度含量与人体生理反应如下：350～450ppm：同一般室外环境；350～1000ppm：空气清新、呼吸顺畅；1000～2000ppm：感覺空气浑浊引起不适。在新鲜空气中，CO2含量约为0.036%（360ppm）至0.041%（410ppm）之间变化。故将阈值设为500ppm，若室内空气质量传感器检测到CO2浓度高于500ppm，自动打开新风系统引入室外新鲜空气；低于300ppm则自动关闭新风系统。

3.2.4 多块温控面板同步联动显示

当任意一个温控面板向KNX控制系统设备发出控制指令，使得KNX控制系统设备状态发生变化后，须将KNX控制系统设备的状态同步到其他控制面板上。这时利用网关将每台室内机的温度读写区分开，多块温控面板显示温度调用网关读取到的反馈读取温度，实现多块面板的温度同步显示功能。

3.2.5 儿童房电视插座联动控制

主人房的智能面板可对儿童房的电视插座实现强行关闭锁死控制，实现有效的强制管理，可有效保护儿童视力。

3.3 场景控制

KNX系统的智能面板可实现一键式多功能场景切换控制（例：阅读场景、休息场景、影音场景和总开/关功能等）。为了统一装修风格，KNX系统部分面板使用无源干接点复位面板，为使按键按下时存在次数之分，增设一个逻辑功能，每次面板按下时对信号进行累计，使其信号传递数量得以区分，再针对不同数量设置不同功能场景。在计数累积到一定数量时，再做减法逻辑运算，使之形成一个循环控制。具体逻辑如图5所示。

4. 结束语

高层住宅KNX控制系统利用微处理电子技术，将家庭中的灯光、窗帘、空调、新风、地暖等系统都集成在一个平台上。通过智能化技术把多个系统功能叠加在一起，可更好地提升各系统的使用效率，更有效地减少能源消耗，达到节约成本功能倍增的效果。KNX系统还可根据人们的生活规律、使用习惯等应用场景自动对各系统设备进行智能管理，为高层住宅创造一个安全、温馨、舒适、便捷、有益于健康的家居办公环境，大幅提升人们的生活品质。

参考文献：

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[4]叶敏莉.住宅和楼宇控制系统HBES（KNX/EIB）介绍[J].仪器仪表标准化与计量，2007（05）：1-5.

作者简介：徐贤明，工程师，研究方向：智能控制.